[논문]수소혼소용 가스터빈의 요소기술 및 국내외 기술개발 동향

주용진; 김미영; 박정극; 박세익; 신주곤

doi:10.7316/khnes.2020.31.4.351

수소혼소용 가스터빈의 요소기술 및 국내외 기술개발 동향
Hydrogen Enriched Gas Turbine: Core Technologies and R&D Trend 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.4, 2020년, pp.351 - 362

주용진 (한국전력공사 전력연구원) , 김미영 (한국전력공사 전력연구원) , 박정극 (한국전력공사 전력연구원) , 박세익 (한국전력공사 전력연구원) , 신주곤 (한국전력공사 전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, renewable power is rapidly increasing globally due to extensive effort to mitigate climate change and conventional power generation industry faces new challenges. The gas turbine technology has potentials to expand its role in future power generation based on the intrinsic characteristics such as fuel diversity and fast load following ability. Hydrogen is one of the most promising fuel in terms of reducing emissions and storing variable renewable energy and replacing hydrocarbon fuel with hydrogen has become very popular. Therefore, this paper presents the core technologies to combust hydrogen added fuel efficiently in gas turbines and the analysis of domestic and international R&D trends.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. The role of gas turbines in the global energy transition
그림 Fig. 2. Relations between heating value (by mass) and compositon of CH₄-H₂ fuel mixture (by volume)
표 Table 1. Comparison of fuel properties
$Fig. 3. Affect of Flame shapes by H<sub>2</sub> mix ratios (a) OH- mass fraction (b) temperature distribution (K)<sup>7)</sup>$ 그림 Fig. 3. Affect of Flame shapes by H₂ mix ratios (a) OH- mass fraction (b) temperature distribution (K)⁷⁾
표 Table 2. Comparison of fuel flows between 100% CH₄ and 50% H₂ mixtures
표 Table 3. Laminar flow velocity under stoichiometric condition on each fuel
표 Table 4. Flammable limits of H₂ mixing ratios
그림 Fig. 4. Extended low loading operating limit with H₂ mix ratio¹⁰⁾
그림 Fig. 5. Computer modeling in 1D flow network tool (FLOWNEX)¹²⁾
그림 Fig. 6. 3D computational analysis under variable conditions¹³⁾
그림 Fig. 7. Combustion test facility based on real scale¹³⁾
그림 Fig. 8. Simplified impact assessment of combined cycle sys-tem
$Table 5. Comparison of mol fraction in exhaust gas from GT$ 표 Table 5. Comparison of mol fraction in exhaust gas from GT
그림 Fig. 9. Timeline of selected projects with hydrogen fuels⁶⁾
그림 Fig. 10. Multi tube mixer of GE⁶⁾
그림 Fig. 11. Results of hydrogen-mixed combustion test for SGT-800¹⁶⁾
표 Table 6. Fuel flexible ranges of Siemens GTs
그림 Fig. 12. Alstom GT24/GT26 sequential combustion systems
그림 Fig. 13. Concept of FlameSheetTM of ANSALDO combustor¹⁰⁾
그림 Fig. 14. Multi-cluster combustor of MHPS (a) detailed diagram (b) mixing process of a coaxial jet¹⁹⁾
표 Table 7. Specification of ANSALDO GTs and FlameSheet^TM

AI 본문요약
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문제 정의

청정발전과 재생에너지 확대 측면에서 세계 각국은 수소경제 활성화를 지향하고 있으며, 우리나라도 지난 2019년 1월 「수소경제 활성화 로드맵」을 발표한 바 있다. 「수소경제 활성화 로드맵」은 수소의 생산부터 이송/저장, 이용에 대한 전주기 산업 생태계를 구축하여 혁신성장의 새로운 성장동력을 창출하고, 친환경 에너지 원동력으로 확보하고자 한다²⁾ . 따라서 재생에너지의 확대를 통해 수소 전환으로 이루어지는 산업이 급성장할 것으로 예측되며, 수소 생산·이용에 대한 value chain을 완성하기 위해서는 대용량의 수소 수요처 발굴 및 확보가 매우 중요하다.
CO₂의 저감율(질량기준)은 상기 양론 조건하에서 수소-메탄 혼합연료 중 수소에 의해 차지하는 입열량의 변화와 동일하게 표현되므로 수소를 50% 혼소할 때 약 22% CO₂가 저감된다. 두 번째는 재생에너지의 출력 변동성을 보완해줄 수있는 유연운전원을 확보하는 것이다. 가스터빈은 기타 발전원(석탄, 원자력)에 비해 기동시간과 응답속도가 빠르기 때문에 현재에도 첨두부하를 담당하고 있지만, 향후 재생에너지가 점차 확대되면 그에 따른 출력변동성과 계통 불안정에 대한 문제가 심화될 수 있다.
구조해석은 연소기와 같은 고온에 노출된 부품에 대해 연료 노즐, 라이너를 대상으로 열-응력 분포를 해석한다. 수소가 혼소될 때 변경되는 화염의 위치에 따라 기존 재질에 대한 영향이 없는지에 대해 확인한다. 또한 1차원 열 음향 해석 결과를 바탕으로 3차원 열 음향해석을 진행하여 연소실 내 동압을 상세하게 예측할 수 있다.

제안 방법

1차원 기본설계 후 3차원 전산해석을 통한 상세설계를 진행한다. 3차원 전산해석은 연소해석, 구조해석, 열 음향해석이 필요하다.
대표적으로 가스터빈 분야에서는 Flownex, Chemkin 등과 같은 프로그램을 이용한다. 1차원 열 음향 해석은 1차원 유동해석 결과를 바탕으로 길이 방향으로 열 음향 방정식을 해석한다. 열 음향 해석은 연소기 내 화염 위치, 모양에 따라 발생하는 동압을 예측한다.
수소혼소용 연소기의 설계는 연소기 내 열 음향 및 열전달 특성에 대한 실험·해석 연구를 통해 개념설계와 상세 설계단계로 진행된다. 1차원 전산 유동해석과 열 음향 해석을 통해 기본설계를 수행한다. 1차원 유동해석은 Fig.
ANSALDO는 기존 GT26 버너를 토대로 수소혼소 적용을 위하여 2011년 Alstom의 재열 엔진을 업그레이드 한 sequential environmental (SEV) 버너를 Fig. 12와같이 개발하였다. ANSALDO는 SEV 버너의 수소혼소 15-60 vol% 범위에 대해 단일노즐 시험을 완료하였으며, 2011년 SEV 버너를 적용한 업그레이드 GT26의 15 vol% 수소혼소 실증에 성공하였다.
연소해석의 결과를 이용하여 구조해석과 열 음향 해석을 각각 진행한다. 구조해석은 연소기와 같은 고온에 노출된 부품에 대해 연료 노즐, 라이너를 대상으로 열-응력 분포를 해석한다. 수소가 혼소될 때 변경되는 화염의 위치에 따라 기존 재질에 대한 영향이 없는지에 대해 확인한다.
특히 연소동압과 같은 인자는 연소시험을 통한 확인이 필수적이다. 또한, 연소시험은 연소기 운전에 대해 설계한다. 연소를 위한 점화, 연료전환, 연료공급 스케줄, 부분 부하 연소특성과 같은 연소기 기동 시 필요한 운전설계와 정격부하 운전 시 발생하는 불안정요소를 회피하는 화염안정화 기술, 질소산화물 배출저감 기술과 같은 운영기술개발에 이용된다.
수소혼소용 연소기의 설계는 연소기 내 열 음향 및 열전달 특성에 대한 실험·해석 연구를 통해 개념설계와 상세 설계단계로 진행된다.
연소를 위한 점화, 연료전환, 연료공급 스케줄, 부분 부하 연소특성과 같은 연소기 기동 시 필요한 운전설계와 정격부하 운전 시 발생하는 불안정요소를 회피하는 화염안정화 기술, 질소산화물 배출저감 기술과 같은 운영기술개발에 이용된다. 연소시험은 단일노즐, 캔을 대상으로 각각 수행하며, 압력에 따라 상압과 고압으로 수행한다. Fig.
가스터빈의 연소시험은 상기 연소기 설계 및 연소기 운영기술 개발을 위해 필요한 과정이다. 연소시험을 통해 수소 혼합연료에 대한 특성, 각 위치별 온도, 동압, 화염 거동 및 형태, 배기가스 조성 및 온도패턴 등을 확인하여 연소기 설계인자에 대한 정보를 제공하고 설계에 대한 평가를 수행할 수 있다. 특히 연소동압과 같은 인자는 연소시험을 통한 확인이 필수적이다.
3차원 연소해석은 질량, 운동량, 에너지, 화학반응 등에 대한 지배방정식을 컴퓨터를 이용하여 예측하는 방법으로, 연소기의 공간 안에서의 온도, 유속, 화학종 분포를 비교적 상세하게 취득할 수 있다. 연소해석의 결과를 이용하여 구조해석과 열 음향 해석을 각각 진행한다. 구조해석은 연소기와 같은 고온에 노출된 부품에 대해 연료 노즐, 라이너를 대상으로 열-응력 분포를 해석한다.
이에 GE는 발전용 가스터빈의 50% 이상의 고농도 수소 적용을 위해 high hydrogen 가스터빈 연소기를 개발 중이며, 본 개발은 DOE “Advanced IGCC/High Hydrogen Turbine Program”을 통해 100% 수소 전소까지 가능한 multi-tube mixer type으로 연구하고 있다.
첫 번째는 수소혼소용 연소기 후단의 터보기기에 대한 영향성 분석이다. 하나의 축으로 연결되어있는 터보기기는 공력해석을 기반으로 하는 turbine inlet temperature (TIT), turbine inlet pressure (TIP), 열용량, 회전속도 등에 따른 열-응력 변화를 평가한다.

성능/효과

가스터빈의 도시가스 연료를 메탄 기준 100%로 가정하고, 부피 기준 50% 수소를 혼합하여 적용한다면, Table 2에서 보듯이 2종 연료의 열량은 동일한 반면, 100% 메탄 연료 대비 인입 질량유량은 약 14%감소하고, 인입 부피유량은 약 54%로 증가한다. 이로 인해 수소-메탄 혼합연료의 입열량 내 메탄과 수소가 차지하는 비율은 각각 77%와 23%가 된다.
수소가 혼소될 때 변경되는 화염의 위치에 따라 기존 재질에 대한 영향이 없는지에 대해 확인한다. 또한 1차원 열 음향 해석 결과를 바탕으로 3차원 열 음향해석을 진행하여 연소실 내 동압을 상세하게 예측할 수 있다.
수소혼소용 가스터빈 기술은 안정적 수소 수요처 창출을 통해 수소경제 활성화 로드맵 이행 및 수소 산업의 전주기 생태계 활성화에 이바지할 것으로 전망된다. 또한, 미래기술의 선제적 기술 확보를 통한 복합화력의 연료 다변화 및 청정발전 사회로의 전환을 가속화 할 수 있으며, 해외 의존적인 가스터빈 기술의 국산화를 통해 국내 발전기술의 자립도를 향상할 수 있다. 특히, 급전 순위가 낮은 노후 가스터빈에 적용함으로써 환경 급전 강화를 통해 수명연장을 꾀하여 신규 발전 설비로의 교체시기를 상당 기간 뒤로 연장함으로써 투자비와 운영비를 절감할 수 있는 기술로 주목받을 것이다.

후속연구

한국전력공사는 2019년 수소 생산 및 이용 기술 확보를 위해 2030년을 목표로 하는 중장기 기술 개발 전략 “KEPCO H2 비전 로드맵”을 수립하였다. 본 로드맵을 통해 한국전력공사는 수소 가스터빈으로 대용량 발전용 혼소기술과 분산전원용 전소기술을 확보하기 위한 기술 개발을 추진하고 있다.
그렇다고 해서 국내기업이 제작기술이 없는 것은 아니며, G급 가스터빈 일부 부품까지 개발이 이루어졌고 양산화 단계에 있기에 F급 가스터빈의 연소부품에 대한 요소기술 및 제조기술은 충분히 경쟁력 있는 수준을 확보하고 있다고 볼 수 있다. 사용자의 적극적인 국산화 개발의지는 기업에게 국내시장에서의 track record를 쌓을 수 있는 기회를 제공하고, 이는 곧 수출로도 연계될 수 있는 발판의 역할을 하게 될 것이다. 가스터빈 연소부품 제작을 위한 공정기술은 선진국 대비 동등이상의 기술 수준을 보유하고 있다.
수소혼소 가스터빈을 통한 환경급전 강화는 자연스럽게 가스터빈의 이용률 증가와 발전설비의 수명연장으로 이어질 수 있다. 이로써 신규 발전설비로의 교체 시기를 상당 기간 뒤로 연기함으로써 투자비와 운영비를 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2019년에 수립된 제3차 에너지기본계획의 목표는 무엇인가?	2019년에는 온실가스 저감과 관련하여 파리협약의 온실가스 감축 목표를 근간으로 하여 재생에너지의 확대 및 청정에너지로의 전환을 위한 제3차 에너지기본계획이 수립되었다. 제3차 에너지기본계획의 목표는 에너지 전환을 통한 지속 가능한 성장과 국민 삶의 질 제고이며, 이를 위해 깨끗하고 안전한 에너지믹스, 재생에너지, 수소, 효율연계 산업 등 미래에너지 산업 육성을 중점 추진 과제의 하나로 계획하고 있으며, 이에 따라 제9차 전원수급 기본계획의 개편이 진행되고 있다1) . 특히 3020 재생에너지 정책에 따라 풍력·태양광 등 간헐성 재생발전설비는 크게 증가할 전망이며 이에 따른 전력계통 안정성 확보 문제가 대두되고 있다.
	가스터빈은 어떤 특성을 가지고 있는가?	한편, 장기간 국내 발전 부분에서 주요 발전원으로 큰 역할을 수행해 온 대형 발전용 가스터빈(100 MW 이상)은 글로벌 친환경 추세에 따라 중요성이 점차 커질 전망이다. 가스터빈은 천연가스 연료 특성상 석탄 대비 낮은 온실가스 배출 특성을 가지며, 대용량 타 발전원(석탄, 원자력) 대비 짧은 기동시간, 높은 출력과 증·감발 속도의 특성도 가지고 있다. 발전용 가스터빈의 기계적 수명은 30년 이상으로 길지만, 에너지가 부족한 우리나라와 일본에서는 20여 년 정도 운전된 노후 가스터빈의 경우, 상대적으로 낮은 발전 효율로 인해 급전 순위가 하락하고 결과적으로 설비이용률이 낮아지고 있다.
	가스터빈에 수소를 혼소하는 기대효과 두 가지는 무엇인가?	가스터빈에 수소를 혼소하는 기대효과는 크게 두 가지로 설명할 수 있다. 첫 번째 기대효과는 청정에너지원을 사용으로 온실가스의 배출을 저감하는 것으로, 수소의 혼소율에 따른 CO2 저감효과는 앞선 Fig. 2에서 알 수 있다. CO2의 저감율(질량기준)은 상기 양론 조건하에서 수소-메탄 혼합연료 중 수소에 의해 차지하는 입열량의 변화와 동일하게 표현되므로 수소를 50% 혼소할 때 약 22% CO2가 저감된다. 두 번째는 재생에너지의 출력 변동성을 보완해줄 수있는 유연운전원을 확보하는 것이다. 가스터빈은 기타 발전원(석탄, 원자력)에 비해 기동시간과 응답속도가 빠르기 때문에 현재에도 첨두부하를 담당하고 있지만, 향후 재생에너지가 점차 확대되면 그에 따른 출력변동성과 계통 불안정에 대한 문제가 심화될 수 있다. 이에 가스터빈의 유연운전 능력을 강화하기 위해서는 현재보다 더 낮은 최저부하율이 가능해야하며, 수소를 혼소하면 그와 같은 효과를 얻을 수 있다. Fig.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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